600MW 超臨界機(jī)組疏水系統(tǒng)總體布置優(yōu)化和泄漏監(jiān)測

費(fèi)惟慶，施延洲，王興平

（1.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240）

機(jī)組疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在各種啟停和運(yùn)行工況下能夠防止汽輪機(jī)進(jìn)水，排除汽輪機(jī)本體的不正常積水，并滿足熱力系統(tǒng)暖管和熱備用要求，其設(shè)計(jì)主要依據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)DL／T 5054和DL／T 834［1－4］。隨著國家和電廠對節(jié)能減排的重視，疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需考慮減少機(jī)組在啟停和長期運(yùn)行時(shí)的內(nèi)外泄漏問題。目前國內(nèi)大型機(jī)組疏水系統(tǒng)運(yùn)行操作容易引起高負(fù)荷停機(jī)，甩負(fù)荷后溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)開機(jī)容易出現(xiàn)高中壓缸內(nèi)外壁溫差增大和疏水?dāng)U容器超壓等現(xiàn)象。隨著機(jī)組運(yùn)行啟停次數(shù)增加，容易發(fā)生閥門內(nèi)漏，引起凝汽器熱負(fù)荷增大，凝汽器殼體或疏水?dāng)U容器連接管處甚至?xí)l(fā)生裂紋而漏空氣，影響機(jī)組運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)性。因此，制造廠有必要對疏水系統(tǒng)重新提出新的總體設(shè)計(jì)原則，將影響汽輪機(jī)本體安全運(yùn)行的疏水系統(tǒng)全部納入自身的設(shè)計(jì)供貨范圍，這樣，既能保證汽輪機(jī)在各種啟停和日常運(yùn)行中防止水和冷汽的進(jìn)入，又能使機(jī)組在性能考核期間及長期運(yùn)行中減少熱力系統(tǒng)的內(nèi)外泄漏，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

對主要疏水閥門進(jìn)行日常監(jiān)測和維護(hù)，是降低汽輪機(jī)運(yùn)行熱耗率的最經(jīng)濟(jì)和最方便的措施。根據(jù)投產(chǎn)后的性能試驗(yàn)分析，在系統(tǒng)隔離和不隔離狀態(tài)下，汽輪機(jī)熱耗率差別有時(shí)超過1%以上。系統(tǒng)的內(nèi)外泄漏與疏水系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)密切相關(guān)，一個(gè)好的疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在經(jīng)過長期運(yùn)行后，能使系統(tǒng)的內(nèi)外泄漏保持較小的水平，同時(shí)疏水系統(tǒng)在日常運(yùn)行中也應(yīng)容易得到維護(hù)和監(jiān)測。

1 疏水采集系統(tǒng)總體布置方式和優(yōu)化

1.1 兩種主要疏水采集系統(tǒng)總體布置方式

目前大型汽輪發(fā)電機(jī)組的疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)總體布置已經(jīng)從集管疏水方式改變?yōu)槭杷當(dāng)U容方式，主要有兩種形式：（1）高低壓疏水?dāng)U容系統(tǒng)。采用高、低兩級(jí)疏水?dāng)U容器，且分別將不同壓力等級(jí)的疏水放到一起，由集管連接到相應(yīng)的擴(kuò)容器，擴(kuò)容器分離后的蒸汽被引入到凝汽器汽側(cè)，分離后的水流入凝汽器底部。（2）內(nèi)外疏水?dāng)U容系統(tǒng)。采用內(nèi)、外疏水?dāng)U容器和危急（事故）疏水?dāng)U容器，將汽輪機(jī)本體疏水與其他管道疏水嚴(yán)格分開，同時(shí)單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)高壓事故疏水?dāng)U容器，部分低壓疏水直接接入凝汽器殼體。

圖1為目前國內(nèi)普遍采用的高低壓疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)總體布置示意圖；圖2為內(nèi)外疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)總體布置示意圖。

圖1 高低壓疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)總體布置示意圖

圖2 內(nèi)外疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)總體布置示意圖

1.2 疏水采集系統(tǒng)總體布置方式的比較和優(yōu)化

高低壓疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)簡單地對正常運(yùn)行時(shí)的相同壓力水平的疏水管道進(jìn)行分組，有時(shí)沒有考慮機(jī)組啟停工況下的壓力水平。將管道疏水和汽輪機(jī)本體疏水接入同一個(gè)疏水?dāng)U容器，容易造成機(jī)組啟停時(shí)大量的高溫蒸汽串入本體疏水管道，蒸汽可能返回汽缸繼續(xù)做功，使機(jī)組無法停機(jī)，也容易引起啟動(dòng)時(shí)（如極熱態(tài)）水和冷汽進(jìn)入汽輪機(jī)。另外，當(dāng)高加事故疏水打開或泄漏時(shí)，疏水?dāng)U容器壓力將會(huì)快速增大，其疏水對其他疏水的排放會(huì)產(chǎn)生影響。

在采用內(nèi)外疏水?dāng)U容采集系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)時(shí)，汽輪機(jī)本體和軸封的疏水與管道疏水嚴(yán)格分離，接入內(nèi)部疏水?dāng)U容器。該設(shè)計(jì)思路清晰，能較好地防止水和冷汽進(jìn)入汽輪機(jī)的現(xiàn)象發(fā)生，制造廠可以形成自己的疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系和供貨范圍。但缺點(diǎn)是外部疏水?dāng)U容器汽側(cè)大多設(shè)計(jì)為向外排空，而根據(jù)火電廠節(jié)能設(shè)計(jì)要求，機(jī)組啟停及運(yùn)行時(shí)的管道疏水需回收，因此這一點(diǎn)還需要優(yōu)化改進(jìn)。

根據(jù)上述兩種總體布置形式的比較結(jié)果，推薦采用內(nèi)外疏水?dāng)U容系統(tǒng)，重新優(yōu)化后的疏水采集系統(tǒng)分為三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)：內(nèi)部（本體）疏水?dāng)U容器、外部（管道）疏水?dāng)U容器和高加事故疏水?dāng)U容器，從而可將本體疏水與管道疏水嚴(yán)格分開。內(nèi)部（本體）疏水?dāng)U容器主要接入機(jī)組的主機(jī)本體、給水泵汽輪機(jī)本體和軸封系統(tǒng)的疏水，這部分系統(tǒng)由汽輪機(jī)制造商設(shè)計(jì)和供貨；外部（管道）疏水?dāng)U容器和高加事故疏水?dāng)U容器接入管道疏水，擴(kuò)容器分離后的蒸汽和凝結(jié)水分別接入凝汽器，這部分系統(tǒng)由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)。如果外部（管道）疏水?dāng)U容器凝結(jié)水不能滿足水質(zhì)要求，還應(yīng)將凝結(jié)水排放至除鹽系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而完全滿足設(shè)計(jì)規(guī)程回收介質(zhì)的要求。

2 系統(tǒng)內(nèi)外泄漏對機(jī)組性能的影響分析

2.1 熱力系統(tǒng)潛在的系統(tǒng)內(nèi)外泄漏位置

根據(jù)最近幾年600MW 超臨界機(jī)組的現(xiàn)場試驗(yàn)，機(jī)組普遍存在泄漏的部位為：（1）主蒸汽管道疏水門；（2）熱再熱蒸汽管道疏水門；（3）汽輪機(jī)本體疏水門；（4）高壓、低壓旁路門及旁路管道疏水門；（5）高排通風(fēng)閥；（6）高壓加熱器事故疏水門；（7）高中壓缸間軸封（泄漏量超過設(shè)計(jì)值）；（8）抽汽管道疏水門；（9）輔汽系統(tǒng)管道疏水門；（10）給水泵小汽輪機(jī)備用蒸汽門。

2.2 疏水閥門內(nèi)漏原因分析

疏水閥門內(nèi)漏產(chǎn)生的原因主要在以下幾個(gè)方面：（1）疏水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。疏水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)布置和疏水管道分組不合理引起不當(dāng)?shù)拈y門操作。（2）閥門選型和操作及監(jiān)測控制。大多疏水閥門前后壓差非常大，閥門開啟和關(guān)閉的瞬間，密封面的微小縫隙產(chǎn)生的泄漏通道，引起強(qiáng)烈的流體沖刷，發(fā)生空蝕。如果閥門選型不當(dāng)或沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門泄漏，并且長時(shí)間在這種狀態(tài)下運(yùn)行，將發(fā)生永久的內(nèi)漏。（3）介質(zhì)中有雜質(zhì)。超臨界機(jī)組由于溫度高，容易形成鍋爐管道固體顆粒，脫離的顆粒疏水時(shí)進(jìn)入疏水管道，卡在閥門密封面上導(dǎo)致閥門內(nèi)漏。（4）閥門安裝。由于現(xiàn)場條件限制，閥桿不能垂直向上安裝，閥門閥芯安裝對中不好，容易引起內(nèi)漏。

疏水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)布置決定了閥門的操作和控制方式。有的電廠設(shè)計(jì)時(shí)將主汽管道疏水與導(dǎo)汽管疏水引入同一疏水母管，機(jī)組在熱態(tài)和極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)高壓缸上下缸溫差大的現(xiàn)象，因此，從熱力系統(tǒng)全局進(jìn)行疏水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。因?yàn)榇蠖嗍杷y門前后壓差很大，因此要求選擇合適的閥門型號(hào)，并注意日常的閥門操作，如采用高壓球閥代替截止閥，高壓球閥內(nèi)部有減壓裝置可減少閥門前后的差壓。疏水管道的監(jiān)測控制方面，通過疏水管壁溫的測量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道壁溫異常，必要時(shí)關(guān)閉串聯(lián)的一次手動(dòng)門，以防高壓球閥長時(shí)間處于小開度的汽流沖刷狀態(tài)；同時(shí)加強(qiáng)水質(zhì)的監(jiān)測和控制，做好閥門安裝工作。

2.3 系統(tǒng)內(nèi)外泄漏對汽輪機(jī)熱耗率影響分析

為了直觀比較各處內(nèi)外泄漏量對熱耗率的影響，假設(shè)各處泄漏量均為1t／h，分別對設(shè)計(jì)熱平衡圖THA 工況和50%THA 工況兩種情況進(jìn)行計(jì)算［5］。圖3為主要泄漏點(diǎn)1t／h泄漏量對熱耗率影響的計(jì)算結(jié)果。為了簡化計(jì)算，除高壓旁路和冷再熱蒸汽至給水泵小汽輪機(jī)備用蒸汽外，其他泄漏均假設(shè)直接排放至凝汽器，而且不考慮泄漏對凝汽器真空的影響。實(shí)際上，大量的泄漏會(huì)增大凝汽器熱負(fù)荷，進(jìn)而影響凝汽器真空。而且大量高溫蒸汽經(jīng)常進(jìn)入凝汽器和擴(kuò)容器會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力交變，引起金屬疲勞裂紋（特別在焊接處）而泄漏空氣，使凝汽器真空變得更壞，因此，實(shí)際的影響量比圖中的數(shù)值更大。

從圖3可以看出，在低負(fù)荷下，相同的泄漏量對機(jī)組性能影響更大，如在50%THA 工況下，相同的泄漏量對熱耗率的影響約為THA 工況時(shí)的兩倍左右。系統(tǒng)內(nèi)外泄漏對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有很大影響，因此，對疏水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、閥門控制運(yùn)行操作及檢修的要求已逐步成為目前電廠節(jié)能降耗工作的重點(diǎn)之一。

根據(jù)上述影響大小，可以針對影響大的疏水點(diǎn)設(shè)計(jì)疏水泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，全面掌握電廠的系統(tǒng)泄漏情況。

3 疏水采集系統(tǒng)泄漏監(jiān)測設(shè)計(jì)

目前機(jī)組的疏水管道都被保溫材料包裹，疏水管缺乏溫度監(jiān)測點(diǎn)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)疏水系統(tǒng)泄漏處，因此，需要在設(shè)計(jì)上改進(jìn)監(jiān)測手段，建立全面的疏水內(nèi)外泄漏長期監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)圖3給出的潛在的系統(tǒng)內(nèi)外泄漏對汽輪機(jī)熱耗率影響分析結(jié)果，可確定主要監(jiān)測點(diǎn)。推薦在主要疏水集管上安裝溫度監(jiān)測點(diǎn)。如果需要建立全面的監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)在全部疏水管道上安裝溫度監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量和位置需要根據(jù)現(xiàn)場情況來確定。對于接入內(nèi)部疏水?dāng)U容器和凝汽器的疏水點(diǎn)，疏水閥門一般分布在擴(kuò)容器或凝汽器周圍，可在疏水閥門前的管道上加裝管壁溫監(jiān)測點(diǎn)；對于接入外部疏水?dāng)U容器的疏水點(diǎn)，建議在疏水點(diǎn)至外部擴(kuò)容器的疏水管中間適當(dāng)位置安裝管壁溫監(jiān)測點(diǎn)。

對于重要的系統(tǒng)內(nèi)漏點(diǎn)，如高壓旁路、低壓旁路、高排通風(fēng)管道和冷再熱蒸汽至給水泵汽輪機(jī)管道，也應(yīng)納入監(jiān)測系統(tǒng)，可直接采用現(xiàn)有DCS測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

4 結(jié)論

1）通過分析比較兩種主要疏水采集系統(tǒng)總體布置方式，得出疏水?dāng)U容系統(tǒng)的總體布置優(yōu)化方案，優(yōu)化后的疏水?dāng)U容系統(tǒng)使汽輪機(jī)本體疏水與管道疏水分開，不但能防止水和冷蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，而且也在長期運(yùn)行時(shí)減少系統(tǒng)內(nèi)外泄漏，滿足節(jié)能降耗的要求。并且設(shè)計(jì)和供貨邊界更加明確，對于汽輪機(jī)本體疏水閥門接入內(nèi)部（本體）疏水?dāng)U容器，制造廠可以形成自己的疏水布置標(biāo)準(zhǔn)體系，從而保證汽輪機(jī)長期穩(wěn)定安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2）通過對潛在的系統(tǒng)內(nèi)外泄漏對汽輪機(jī)熱耗率影響的分析，給出重要疏水系統(tǒng)閥門泄漏的監(jiān)測點(diǎn)，以有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)外泄漏。建議在機(jī)組設(shè)計(jì)階段與設(shè)計(jì)院進(jìn)行充分的溝通，在今后新機(jī)組的設(shè)計(jì)或舊機(jī)組改造中采用系統(tǒng)內(nèi)外泄漏監(jiān)測系統(tǒng)。

［1］電力部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.DL／T 5054－1996火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國電力出版社，1996.

［2］電力行業(yè)電站汽輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).DL／T 834－2003火力發(fā)電廠汽輪機(jī)防進(jìn)水和冷蒸汽導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì).ANSI／ASME TDP－1－2013 Recommended Practices for the Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation Fossile－Fueled Plants ［S］.The American Society of Mechanical Engineers，2013.

［4］國家電力公司.防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［5］上海汽輪機(jī)有限公司.N600－24.2／566／566型600MW 超臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)熱力特性數(shù)據(jù)［R］.上海：上海汽輪機(jī)有限公司，2006.